梁 健，趙 杰，王成彪，何 鑫，尹 浩

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局深部地質(zhì)鉆探技術(shù)研究中心，河北廊坊065000；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；4.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京102617）

0 引言

作為“入地”重要手段的科學(xué)超深井鉆探工程，是一項超復(fù)雜的系統(tǒng)工程［1-6］，更是我國地質(zhì)科學(xué)發(fā)展的重要里程碑。面對這項系統(tǒng)龐大的勘探工程，須就其關(guān)鍵技術(shù)難題展開攻關(guān)，研究出切實可行的工藝技術(shù)體系和相應(yīng)的鉆井工具與設(shè)備。在科學(xué)超深井鉆探作業(yè)過程中，除地層條件復(fù)雜及不確定性外，其將遇到的困難與挑戰(zhàn)可概括為“熱、高、長、大”，即“井溫高、壓力高、管柱長、井徑大”，采用常規(guī)鉆井機具難以滿足鉆井要求。尤其當(dāng)鉆井超過某一深度時，鉆柱的自重即能使鉆桿發(fā)生破壞，尚且隨著井深的不斷增加，鉆井工程存在裸眼井段長、井壁穩(wěn)定性差、井內(nèi)環(huán)境溫度高等惡劣工況。鋁合金鉆桿以其獨特的優(yōu)越性，即具有質(zhì)量輕、比強度高、鉆進深度大、所需能耗小等特點，已成為科學(xué)超深井鉆柱設(shè)計的優(yōu)選方案［7-10］。在前蘇聯(lián)SG-3 科學(xué)超深井中，鋁合金鉆桿技術(shù)作為其三大特色技術(shù)之一，為提高人類向地下空間進軍的能力做出了巨大的貢獻［11］。在塔里木油田哈拉哈塘區(qū)塊哈15 井，為解決鋼鉆桿氫脆化斷裂這一難題，引用了進口鋁合金鉆桿，順利鉆進至6515 m，累計進尺4983 m［12］。我國大陸科學(xué)鉆探“松科二井”應(yīng)用了鋁合金鉆桿，最大鉆深4963 m，累計進尺337 m，井下使用970 h［13］，在提高井口效率、減輕工人勞動強度等方面體現(xiàn)了其優(yōu)勢。為此，國產(chǎn)鋁合金鉆桿的成功開發(fā)與應(yīng)用，對推動科學(xué)鉆探技術(shù)進步以及節(jié)能降耗工作具有重大現(xiàn)實意義。

在自然條件下，鋁合金表面容易形成一層厚約4 nm 的自然氧化膜，但該膜多孔、不均勻，難以抵抗惡劣環(huán)境的腐蝕，導(dǎo)致腐蝕失效［14-15］。鉆井過程中，所使用的低固相、無固相、水基和油基等不同的泥漿體系中含多種有機和無機添加劑，添加劑在井內(nèi)高溫高壓的作用下具有較強的腐蝕性。由于鋁合金鉆桿特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計使其自身的異金屬腐蝕敏感性較強，鋼、鋁接觸時將產(chǎn)生嚴重的電偶腐蝕［16-17］。鉆柱在其自重作用下承受的拉伸應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中持續(xù)的作用下，可致鋁合金材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕［18-20］，拉長的晶粒、晶界電偶腐蝕共同提供腐蝕通道，并在應(yīng)力腐蝕的綜合作用下易造成鋁合金的剝落腐蝕［21-22］。鹽類添加劑，增加了介質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，尤其氯離子對鋁合金鈍化膜的破壞，致使其發(fā)生小孔腐蝕［23-25］。井內(nèi)溫度對鋁合金腐蝕的影響是多樣的，其變化將影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的溶解性，改變腐蝕產(chǎn)物，從而影響腐蝕速度［26-27］。在“松科二井”工程鋁合金鉆桿的使用過程中，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了不同程度的腐蝕［13］（見圖1），致使鉆桿柱承載力降低，加大了井內(nèi)事故隱患。因此，深入認知鋁合金鉆桿的腐蝕失效機制，是科學(xué)超深井鋁合金鉆桿技術(shù)應(yīng)用的核心與關(guān)鍵。

圖1 鋁合金鉆桿典型腐蝕宏觀照片F(xiàn)ig.1 Typical corrosion of ADP

本文針對“松科二井”復(fù)雜鉆井工程服役條件，運用COMSOL 多物理場仿真軟件，通過理論公式分析和修訂模擬作業(yè)工況，建立多物理場腐蝕分析模型，開展鋁合金鉆桿“應(yīng)力-溫度-電化學(xué)”作用下的腐蝕規(guī)律仿真分析，進一步支撐鋁合金鉆桿的工程防腐手段和措施。

1 工程應(yīng)用概況

1.1 鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

“松科二井”鋁合金鉆桿應(yīng)用是我國自主研發(fā)的科學(xué)深井鋁合金鉆桿在國內(nèi)的首次應(yīng)用，以考核國產(chǎn)鋁合金管材強度、安全性的同時，觀察驗證抗高溫、耐腐蝕能力，為后續(xù)批量化制造技術(shù)的完善和優(yōu)化提供技術(shù)數(shù)據(jù)。采用的?147 mm 規(guī)格特制鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1，鋁合金常溫性能參數(shù)見表2，鋼接頭力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 鋁合金鉆桿尺寸參數(shù)Table 1 Sizes of ADP

表2 鋁合金常溫性能參數(shù)Table 2 Properties of aluminum alloy at room temperature

表3 鋼接頭力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Mechanical properties of steel joints

1.2 復(fù)合鉆柱組合設(shè)計

根據(jù)鋁合金桿體耐溫性能及鉆桿測試性能和井內(nèi)鉆進情況，確定其以下使用要求：在套管內(nèi)使用，如遇鋁合金鉆桿的鉆井事故便于后續(xù)處理作業(yè)；考慮項目經(jīng)費和井下安全，與鋼鉆桿組合使用，下入4 柱鋁合金鉆桿，共計12 單根；置于鉆柱中上部，同時考慮井溫情況（建議鋁合金鉆桿部位井段的循環(huán)井溫＜120 ℃）；長時間停鉆時，考慮溫度和腐蝕影響，應(yīng)將鋁合金鉆桿提出井外。鋁合金鉆桿入井前的鉆井工藝參數(shù)見表4。針對“松科二井”取心鉆進工藝參數(shù)，進行了復(fù)合鉆柱設(shè)計，見表5。

1.3 井下試驗情況

鋁合金鉆桿結(jié)合“松科二井”（見圖2）開展了工程應(yīng)用，其井下工作量見表6。2015 年，進行了? 147 mm 規(guī)格鋁合金鉆桿第一次野外生產(chǎn)試驗，下井21 回次，累計進尺233.13 m，井下使用時間634 h（約 27 d），使用井段為 2966.11～3199.24 m。2016年，進行了第二次生產(chǎn)試驗，下井8 回次，累計進尺103.96 m，井下使用時間336 h（約14 d），使用井段為4862.94～4963.05 m。

表6 鋁合金鉆桿井下工作量[13]Table 6 Down-hole workload of ADP

表4 取心鉆進工藝參數(shù)Table 4 Core drilling parameters

表5 復(fù)合鉆柱設(shè)計Table 5 Design of the composite drill string

圖2 鋁合金鉆桿在“松科二井”的工程應(yīng)用Fig.2 Engineering application of ADP in SK-2

2 腐蝕模型及其理論公式

2.1 腐蝕模型

圖3 是腐蝕仿真分析模型，鋁合金鉆桿為對稱結(jié)構(gòu)，取其1/4 半剖模型為研究對象。在電偶腐蝕模型中，陰極為鋼接頭，陽極為鋁合金桿體；在鋁合金桿體區(qū)域的電化學(xué)腐蝕中，由于桿體的變截面加工等原因，不同區(qū)域內(nèi)的電化學(xué)腐蝕性能略有不同。根據(jù)鉆桿的幾何尺寸及區(qū)域?qū)傩裕瑢⑵涠x為：接頭連接區(qū)、鋁合金桿體加厚區(qū)和鋁合金桿體區(qū)［28-29］；由于機加工及裝配工藝的需求，在鉆桿接頭區(qū)存在幾何突變小凹面，該點距離鋼接頭30 mm，位于電偶腐蝕影響區(qū)域內(nèi)，真實工程中該區(qū)域腐蝕情況較為嚴重［13］。

另外，整個電極被鉆井液電解質(zhì)包圍，電極反應(yīng)發(fā)生在電解質(zhì)與鉆桿的液接表面。物理模型對體系外邊界為絕緣，考慮鉆桿內(nèi)外管壁流體流動，陰陽極電位采用動力學(xué)Tafel 方程進行計算，仿真體系中考慮所受載荷、溫度參數(shù)、溶質(zhì)的擴散與電遷移，耦合二次電流場、固體力學(xué)場、流場和稀物質(zhì)傳遞場，模擬體系中的受載和腐蝕情況［30］。

2.2 多物理場下理論公式及修訂

圖3 腐蝕仿真分析模型Fig.3 Corrosion simulation analysis model

與鋼接頭接觸的鋁合金桿體外壁區(qū)域會產(chǎn)生電偶腐蝕，同樣該區(qū)域的鉆桿內(nèi)壁與弱電極發(fā)生電偶腐蝕［31］。同時，金屬的溶解速度與陽極電流密度呈正相關(guān)。由Tafel 公式可知，陽極電流密度與陽極平衡電位有關(guān)，陽極平衡電位越負，陽極電流密度越大［32］。對陰陽極的平衡電位，根據(jù)Nernst 方程式進行計算［33］。一般地溫梯度為 3 ℃/100 m，可知井下絕對溫度隨鉆深d變化的公式為：

因此，考慮溫度的Nernst 方程可修訂為：

式中：E0a，eq——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的材料的電極電位，V；R——氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；d——鉆井深度，m；n——電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)；F——法拉第常數(shù)，96485 C/mol；Co、CR——氧化物、還原物濃度，mol/L；m、P——氧化物、還原物濃度反應(yīng)系數(shù)。

根據(jù)實驗和理論推導(dǎo)，得到了應(yīng)力對電極電位的影響的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，分為彈性變形下的Von-Mises 力和有效塑性變形 2 部分，影響程度公式［34］為：

式中：Ev——鉆井過程中某一時刻的陽極平衡電位，V；Vm——鋁合金摩爾體積，m3/mol；T——井下絕對溫度，K；v——取向依賴因子；α——反應(yīng)傳遞系數(shù)，0.3～0.7 之間，一般取 0.5；N0——塑性變形前的錯位初始密度；εmax——最大應(yīng)力下有效塑性應(yīng)變。

在鋁合金鉆桿井下使用過程中，一般不會出現(xiàn)塑性變形的階段，所以上式可簡化為：

針對鋁合金鉆桿井下使用的工況，陽極平衡電位受應(yīng)力場和電化學(xué)場共同影響，同時考慮溫度影響因素，仿真模擬中Nernst 方程修訂如下：

當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)中，正向和逆向的反應(yīng)進行速度相等時，電極反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，此時陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)所對應(yīng)的電流密度的絕對值為交換電流密度，用符號I0表示，該參數(shù)只與電極反應(yīng)本身的性質(zhì)有關(guān)，與外界施加條件無關(guān)。也就是說，無論電極的狀態(tài)是否處于平衡態(tài)，交換電流密度可以用來表示某電極反應(yīng)得失電子的能力，還可以反映一個反應(yīng)進行的難易程度［35］。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧化物和還原物的濃度均為1，此時的標(biāo)準(zhǔn)交換電流密度［36］可表示為：

式中：I0θ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電極交換電流密度，A/m2；ks——化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。

隨著鉆深的不斷增加，鉆桿柱所處狀態(tài)為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。因此，非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的交換電流密度［37］可表示為：

通常，可通過腐蝕電流密度來表示一個電化學(xué)反應(yīng)速率，Icorr與I0的關(guān)系為：

式 中 ：Icorr——腐 蝕 電 流 密 度 ，A/m2；I0，a、I0，c—— 陽極、陰極交換電流密度，A/m2；βα、βc——陽極、陰極塔 菲 爾 斜 率 ；Ee，c、Ee，a—— 陰 極 、陽 極 平 衡 電 極 電位，V。

2.3 仿真邊界條件

鉆井過程中，鉆柱的運動狀態(tài)十分復(fù)雜，主要包括：自轉(zhuǎn)、渦動、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、橫向振動等。根據(jù)“松科二井”井下動力驅(qū)動取心鉆進工藝參數(shù)，為便于仿真分析且兼顧準(zhǔn)確性，分析中僅考慮拉應(yīng)力，應(yīng)力場采用固體力學(xué)接口。鉆柱上部受拉力最大，鉆柱頂端施加固定約束u=0，水平方向位移約束u0x=0。鉆桿施加受載應(yīng)力為其下部鉆桿總質(zhì)量與其鉆井液帶來的浮力的和，總受載為：

式中：Ftot——鉆桿所受拉力，隨深度h的變化而變化，N；M總——下部鉆桿重力和，N；Ff——下部鉆桿浮力和，N。

鉆桿受載與鉆井深度的關(guān)系式為：

式中：h——鉆井深度，取值范圍為1～4680 m。

鉆井液為堿性環(huán)境，電解質(zhì)中富含OH-，當(dāng)鋁合金鉆桿處于工作狀態(tài)時，整個電化學(xué)體系發(fā)生吸氧反應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)平衡電位較低的Al 充當(dāng)陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)平衡電位較高的OH-充當(dāng)陰極，發(fā)生還原反應(yīng)。電極反應(yīng)式如下：

腐蝕電化學(xué)體系仿真采用二次電流分布接口，電解質(zhì)分布在鋁合金鉆桿內(nèi)外兩側(cè)。電解質(zhì)電導(dǎo)率為4.5 S/m，鋁合金桿體和鋼接頭接觸面的電勢為0。為體現(xiàn)鋁合金鉆桿制造致使不同區(qū)域內(nèi)鉆桿的耐蝕性的不同，通過定性調(diào)節(jié)鋁合金鉆桿的參考平衡電位及交換電流密度，改變了鉆桿接頭區(qū)、加厚區(qū)和桿體區(qū)的電化學(xué)參數(shù)，且除電極反應(yīng)面外，體系其余邊界為絕緣。陰陽極的電極動力選取陰/陽極Tafel 公式求解，方程以殘差＜1×10-6為終止依據(jù)。

考慮濃度引起的濃差極化對模擬仿真的影響，采用稀物質(zhì)傳遞。在稀物質(zhì)傳遞中，速度變化是從流場接口傳遞而來的，在整個鉆井過程中流場的狀態(tài)是層流與湍流并存［38］，而電化學(xué)腐蝕是在微觀下進行的，對模型流動情況進行簡化，采用層流接口進行模擬分析［39-40］。鉆桿內(nèi)鉆井液流速約為2.35 m/s，鉆桿外壁鉆井液流速為0.31 m/s。液體流動過程中發(fā)生的速度變化傳遞給稀物質(zhì)傳遞。同時，通過電極表面耦合對電場遷移進行仿真，擴散系數(shù)為1e-9m2/s，粒子屬性為各項同性，參與電子數(shù)為3，化學(xué)計量系數(shù)為4。仿真模型的基本電化學(xué)參數(shù)見表7。

表7 基本電化學(xué)參數(shù)Table 7 Basic electrochemical parameters

仿真以不同的入井時間和下深開展鉆桿腐蝕分析，即鉆桿井下工作時間 10、20、30、40 d 和井深10、1000、2000、4000 m 時的腐蝕情況，也可理解為分析第 1、第 100、第 200、第 400 根鋁合金鉆桿的多物理場耦合腐蝕情況，并與實際工程情況進行對比分析。

3 鋁合金鉆桿腐蝕特性分析

3.1 腐蝕特性分析

圖4（a）是第4000 m 段鋁合金鉆桿在井下工作40 d 時的電解液電位分布圖。從圖中可知，在體系達到平衡時，鋁合金電極一側(cè)的電解質(zhì)電位偏高，鋼接頭電極一側(cè)電解質(zhì)電位偏低。這是由于鋁合金發(fā)生了氧化反應(yīng)，Al3+進入溶液相，導(dǎo)致鋁合金電極周圍正電荷富集，電位較高；鋼接頭區(qū)域OH-發(fā)生還原反應(yīng)，周圍負電荷富集，電位較低，約0.94 V。對于腐蝕體系，鋁合金鉆桿電極取外表面，導(dǎo)出的總界面電流密度圖見4（b）所示，靠近鋼接頭電極一側(cè)受影響較大，電流密度高，最高為5.5 A/m2。

圖4 4000 m 段鋁合金鉆桿的體系電化學(xué)參數(shù)Fig.4 Electrochemical parameters of 4000m long ADP system

圖5 是鉆深為 10、1000、2000、4000 m，服役時間為40 d，鋁合金鉆桿柱a、b 觀測位置腐蝕情況。從圖中可以看出，最大腐蝕位置均為鋁/鋼電偶腐蝕處，其中，a 處最大腐蝕深度變化分別為1.114、1.114、1.114、1.115 mm，b 處最大腐蝕深度分別為1.115、1.264、1.570、2.442 mm。也就是說，a、b 兩位置處的腐蝕深度隨著鉆井深度的增加而增大，即隨著鉆桿應(yīng)力、溫度的增加導(dǎo)致腐蝕速率加快；相對于溫度的影響，載荷對腐蝕影響相對較小。另外，最小腐蝕區(qū)域的管內(nèi)壁隨溫度和載荷的變化影響不大，腐蝕深度均在0.017 mm。

圖5 不同鉆深下鉆柱頂?shù)撞扛g情況Fig.5 Corrosion of the top and bottom of the drill string at different drilling depths

圖6 是仿真最大腐蝕位置與真實最大腐蝕位置對比圖。從圖中可以看出，在對比真實工況下的腐蝕情況，管外壁和內(nèi)壁最大腐蝕厚度［26］為4 mm 和0.20 mm，與仿真結(jié)果的腐蝕厚度變化較為相近。

圖6 仿真與真實最大腐蝕位置對比Fig.6 Comparison of simulated and real maximum corrosion locations

圖7 是受熱最大點b 腐蝕深度隨時間的變化圖。由圖可知，腐蝕速率和工作時間成正線性關(guān)系，工作時間越長、腐蝕深度越大、鋁合金鉆桿表皮脫落越嚴重。腐蝕初期，4 個鉆深下的腐蝕速率分別為 0.018、0.022、0.026、0.034 mm/d；在第 4 天時，腐蝕速率開始變緩，分別為 0.017、0.021、0.025、0.033 mm/d；隨后，腐蝕速度開始加快，分別為0.019、0.023、0.026、0.037 mm/d。可以理解為開始時電偶腐蝕所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會對鋁基體進行保護，但隨著反應(yīng)的進行和鉆井液的沖刷，腐蝕層開始脫落，對基體的保護減小并形成更為嚴重的鋼接頭/腐蝕產(chǎn)物的電偶腐蝕，腐蝕速率對比剛開始時的腐蝕速率加快8%。

3.2 電偶腐蝕管壁腐蝕影響分析

圖8 是電偶腐蝕對管外壁腐蝕影響距離分析圖。從圖中可以看出，離電偶腐蝕處越近，鋁合金鉆桿的界面電流密度越大，并成指數(shù)關(guān)系。電偶腐蝕的強影響區(qū)域大約在距電偶腐蝕處0～200 mm，弱影響區(qū)大約在距電偶腐蝕處200～400 mm，與真實工況下鉆桿腐蝕現(xiàn)象相似。同時，還可以發(fā)現(xiàn)，在600 mm 處，曲線出現(xiàn)了起伏和電流密度略微升高，是由于鋁合金鉆桿的加工工藝所致，接頭區(qū)和加厚區(qū)的耐腐蝕性能較優(yōu)［27］，也就是說桿體區(qū)的界面總電流密度較大，耐腐蝕性能較弱。

圖7 b 點腐蝕深度隨時間的變化Fig.7 Corrosion depth at Point b vs time

圖9 是鋁合金桿體內(nèi)壁和接頭區(qū)管內(nèi)壁腐蝕情況云圖。從圖9（a）中可以看出，鉆桿桿體區(qū)腐蝕狀況最嚴重，腐蝕深度為0.238 mm；加強區(qū)腐蝕情況較輕，腐蝕深度為0.221 mm。從9（b）可以發(fā)現(xiàn)，離電偶腐蝕區(qū)域越近，腐蝕情況越為嚴重，但影響區(qū)域較小，約為110 mm。

圖8 電偶腐蝕對管外壁腐蝕影響距離Fig.8 Influence distance of galvanic corrosion on the outer wall

圖9 鋁合金鉆桿內(nèi)壁腐蝕情況Fig.9 Corrosion on the inner wall

4 結(jié)論

運用COMSOL 多物理場仿真軟件，進行了鋁合金鉆桿“應(yīng)力-溫度-電化學(xué)”多物理場耦合作用下的腐蝕規(guī)律仿真分析，得到以下結(jié)論。

（1）腐蝕體系達到平衡時，鋁合金電極一側(cè)的電解質(zhì)電位偏高，鋼接頭電極一側(cè)電解質(zhì)電位偏低?？拷摻宇^電極一側(cè)鋁桿體電流密度高，最高為5.5 A/m2。

（2）隨著鉆桿所受應(yīng)力、溫度的增加，腐蝕速率加快；相對于溫度的影響，載荷對腐蝕影響較小。

（3）腐蝕速率和井下工作時間成正線性關(guān)系，工作時間越長、腐蝕深度越大、鋁合金鉆桿表皮脫落越嚴重。

（4）離電偶腐蝕處越近，鋁合金鉆桿的界面電流密度越大，并成指數(shù)關(guān)系。外壁強影響區(qū)域大約在距電偶腐蝕處0～200 mm，內(nèi)壁為0～110 mm。